利用新型干法水泥窯協(xié)同處置生活垃圾技術研究

劉學爐，王朝雄

（南京凱盛開能環(huán)保能源有限公司，江蘇南京210036）

利用新型干法水泥窯協(xié)同處置生活垃圾技術研究

劉學爐，王朝雄

（南京凱盛開能環(huán)保能源有限公司，江蘇南京210036）

介紹了新型干法水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾工藝，分析了水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾對水泥生產(chǎn)的影響，得出水泥窯協(xié)同處置生活垃圾對水泥線影響風險可控的結(jié)論，環(huán)境和社會效益明顯，具有良好的應用前景。

水泥窯；城市生活垃圾；協(xié)同處置

利用水泥窯協(xié)同處置生活垃圾，可以徹底實現(xiàn)垃圾處理減量化、無害化和資源化，為水泥工業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、打造水泥綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)開辟了一種新的途徑。筆者以貴州某縣3 000 t/d新型干法水泥窯協(xié)同處置250 t/d生活垃圾為例，介紹其工藝技術路線，分析水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾對水泥生產(chǎn)的影響。

1　工藝介紹

工藝流程如圖1所示。

圖1　水泥窯協(xié)同處置生活垃圾工藝流程

該生活垃圾處理系統(tǒng)是利用垃圾焚燒爐與水泥生產(chǎn)工藝技術相結(jié)合，將垃圾焚燒后的高溫熱煙氣引入新型干法水泥窯系統(tǒng)的分解爐作為替代燃料，并利用分解爐內(nèi)900℃左右的高溫和堿性條件，吸收和處理垃圾產(chǎn)生的二惡英等有害氣體，使垃圾處理達到減量化、資源化、無害化的要求。

生活垃圾由運輸車運送至垃圾暫存庫，經(jīng)預處理后存放在垃圾儲存庫內(nèi)，整個大的垃圾庫采用密閉負壓結(jié)構(gòu)，垃圾儲坑有效容積儲量按7 d考慮，負壓通過垃圾庫引風機產(chǎn)生，排出的臭風引入空預器加熱至220℃作為助燃風。

新鮮垃圾倒入儲坑后生物干化5～7 d，可以降低水分，提高熱值，干化后的垃圾經(jīng)過行車抓斗輸送到爐排爐中干燥、燃燒、燃盡，余下的殘渣經(jīng)分選，對金屬單體回收，灰渣送入水泥原料磨作為水泥原料，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用。重金屬有害元素被固溶在熟料里，燃燒后的煙氣引入分解爐繼續(xù)高溫焚化處理，分解爐內(nèi)燃燒煙氣溫度大于850℃，停留時間在7 s以上，煙氣中的有毒有害物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)被徹底破壞。

垃圾在儲存過程中生成的滲瀝液為高濃度有機污水，經(jīng)過濾處理后，噴射至分解爐內(nèi)高溫蒸發(fā)氧化處理，完全分解有機成分，實現(xiàn)無害化。

2　垃圾焚燒設計

焚燒爐選用成熟可靠的爐排爐焚燒技術，設計進廠垃圾處理量250 t/d，配1臺225 t/d處理規(guī)模焚燒爐，設計入爐垃圾低位熱值5 852 kJ/kg，垃圾存放時間5～7 d；焚燒爐正常工作時間7 200 h/a；爐內(nèi)煙氣停留時間＞2 s；燃燒溫度850～950℃。生活垃圾的工業(yè)分析和元素分析如表1所示。

表1　生活垃圾工業(yè)分析和元素分析結(jié)果

3　對水泥窯影響分析

3.1水泥熟料品質(zhì)影響

王?。?］研究表明：生活垃圾在每噸熟料處理量小于0.1 t時，對燒成系統(tǒng)影響很小。按照3 000 t/d水泥生產(chǎn)工藝計算，可容納的垃圾量為300t/d，本方案設計處理進廠垃圾250t/d，入爐垃圾量225t/d，垃圾焚燒后的爐渣在化學組成上屬于SiO2-Al2O3-CaO-Fe2O3體系，焚燒爐渣同高爐渣等應用作水泥原材料的固體廢物性質(zhì)接近，將垃圾焚燒爐渣作為水泥替代原料可行。表2為水泥生料及熟料在水泥窯沒有協(xié)同處置生活垃圾和水泥窯協(xié)同處置生活垃圾時的化學成分和熟料率值，從中可以看出水泥窯協(xié)同處置生活垃圾前后熟料率值幾乎沒有變化，對熟料產(chǎn)品質(zhì)量沒有影響。從煙氣組成來看，將垃圾焚燒后的熱煙氣引入分解爐，廢氣種類與水泥熟料煅燒煙氣基本相同，而且垃圾焚燒所產(chǎn)生的廢氣含量只占熟料煅燒煙氣量20%，因此，水泥窯協(xié)同處置生活垃圾對水泥熟料性能無影響。

表2　水泥生料、熟料化學成分及熟料率值變化

3.2煤耗影響

在設計工況下，垃圾低位熱值5 852 kJ/kg，垃圾在爐排爐內(nèi)焚燒后高溫煙氣進入分解爐會替代一部分煤。按照1%旁路放風增加熱耗10 kJ/t熟料，放風量3%，根據(jù)分解爐物質(zhì)平衡和熱平衡計算，節(jié)約標煤143 kg/h，熟料標煤耗降低1.14 kg/t，年節(jié)約標煤1 029 t。由于本項目焚燒爐與分解爐距離200 m，考慮空氣預熱和沿程溫降約200℃，入分解爐煙氣溫度為738℃，分解爐煙氣溫度降低了22℃。

3.3水泥窯溫度場及流場變化

高溫煙氣進入分解爐后，會導致爐內(nèi)煙氣流量增加，煙氣流速增大，系統(tǒng)阻力加大。垃圾、燃煤熱值分別按5 852、21 987 kJ/kg計算，則225 t/d垃圾焚燒后，新增煙氣量為28 778 m3/h，3 000 t/d水泥熟料線窯尾廢氣量176 756 m3/h，廢氣增加量為28 778/176 756=16.3%，可見新增廢氣對窯尾預熱分成系統(tǒng)的流場和速度場影響較大，旋風筒出口風速將嚴重超出設計值，需要進行改造，根據(jù)水泥廠現(xiàn)有生產(chǎn)線預熱器規(guī)格和產(chǎn)量，預熱器各級旋風筒直徑較大，出口風管直徑小，出口風管改造后，壓損和出口溫度都將有效地改善，改造前后數(shù)據(jù)見表3。

表3　改造前后數(shù)據(jù)對比

3.4余熱發(fā)電影響

水泥窯協(xié)同處置生活垃圾前后窯尾余熱鍋爐發(fā)電量變化如表4所示。

表4　水泥窯協(xié)同處置生活垃圾前后窯尾余熱鍋爐發(fā)電量變化

垃圾焚燒高溫煙氣在水泥窯內(nèi)熱量除水泥窯窯體散熱外，一部分被預熱器內(nèi)生料吸收，另外一部分則被煙氣以顯熱形式帶出C1，熱平衡計算得到，焚燒爐運行時，C1出口煙氣溫度升高16℃，窯尾余熱鍋爐煙氣量會增加28 778 m3/h，窯尾余熱鍋爐發(fā)電量增加804 kW。

雖然窯尾余熱鍋爐發(fā)電量有所提高，但系統(tǒng)煙氣量增加后，窯尾IDFan電耗會增加386 kW，尾排風機電耗會增加235 kW，其他還包括新增給水泵功耗和新增協(xié)同處理引風機功耗，水泥窯協(xié)同處置生活垃圾后整個水泥線余熱發(fā)電增加約181 kW。

3.5重金屬問題

國外研究表明，在不超過重金屬進料量限值的條件下，重金屬的進料量變化不會影響其在窯灰、熟料和尾氣中的分配率，且與添加的廢物類型無關［2］，生活垃圾中含有較多的重金屬離子，這些重金屬離子在水泥熟料形成的過程中大部分被包溶在熟料礦物之中，有利于形成晶格缺陷，對提高熟料強度有利。同時，重金屬離子能降低熟料的燒成溫度，節(jié)約燃料。所以，生活垃圾中重金屬離子對熟料的燒成和產(chǎn)品質(zhì)量沒有不利影響。

3.6氯離子對水泥系統(tǒng)的影響

通常生料中氯含量應小于0.015%，過高的氯含量會導致新型干法水泥線系統(tǒng)中700℃的地方生成低溫共熔物，在窯尾、風管和排風機等氣體通過的地方，附著結(jié)皮和造成堵塞。水泥產(chǎn)品中氯含量超出一定限度，在做成混凝土之后，在水化時會溶出大量的氯離子，硬化體在養(yǎng)護和使用過程中也會釋放出含氯水化物可能會對其中的鋼筋產(chǎn)生一定腐蝕，影響鋼筋壽命。因此，對氯離子的控制就尤為關鍵。由于在水泥窯協(xié)同處置中，生活垃圾處理量較小，氯含量只占很少一部分，一般可滿足要求，具體情況應根據(jù)垃圾的元素組成進行分析。本項目設計了旁路放氯裝置，放風量為煅燒窯煙氣量3%，以此減小氯對水泥窯運行和產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

3.7二惡英排放問題

分解爐溫度維持在880℃左右，氣體停留時間大于6 s，固體物料的停留時間長達20 s以上，能夠保證有機物的完全燃燒和分解，加上水泥系統(tǒng)CaO物料較多，系堿性環(huán)境，為抑制二惡英產(chǎn)生創(chuàng)造了良好條件。國外實踐表明采用現(xiàn)代新型干法水泥窯協(xié)同處置城市廢物，二惡英的排放濃度可完全控制在0.1 ng/m3以下，德國某機構(gòu)針對常規(guī)燃料、替代燃料和替代原料的160條水泥窯進行檢測［3］，結(jié)果表明大多數(shù)情況二惡英排放在0.002～0.05 ngTEQ/m3，均值約為0.02 ngTEQ/m3，優(yōu)于歐盟2 000排放標準。

3.8水泥窯協(xié)同處置產(chǎn)品對環(huán)境的影響

原生生活垃圾含有一定量的重金屬，這些重金屬會隨著煙氣和爐渣一起進入水泥窯，在水泥產(chǎn)品后續(xù)使用過程中這些重金屬可能會遷移到周圍環(huán)境中，給環(huán)境安全性帶來影響。張俊麗等［4］通過開展水泥窯協(xié)同處置廢物產(chǎn)品的浸析試驗，發(fā)現(xiàn)水泥窯煅燒固化處置對As、Pb、Zn的化學穩(wěn)定效果優(yōu)于水泥固化/穩(wěn)定化，李波等［5］試驗分析了水泥窯處置生活垃圾后續(xù)產(chǎn)品對環(huán)境的影響，研究表明在酸性降雨的環(huán)境下，水泥產(chǎn)品中重金屬的遷移性很小，不會對環(huán)境安全性造成危害。

4　結(jié)論

1）本項目利用新型干法水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾，工藝流程簡短，投資省，無需預處理，符合現(xiàn)階段我國垃圾處理基本國情，可以實現(xiàn)垃圾處理減量化、資源化和無害化。

2）利用3 000 t/d水泥熟料線協(xié)同處置250 t/d生活垃圾，焚燒爐渣作為水泥窯替代原料對水泥熟料產(chǎn)品質(zhì)量沒有影響。

3）設計工況條件下，水泥窯協(xié)同處置生活垃圾可以替代一部分煤，水泥窯窯尾鍋爐增加發(fā)電量大部分被窯尾高溫風機和尾排風機抵消，整個水泥線余熱發(fā)電量略有提高。

4）利用新型干法水泥窯協(xié)同處置生活垃圾對水泥線影響風險可控，產(chǎn)品不會對環(huán)境安全性造成危害，具有明顯的環(huán)境效益和社會效益。

［1］王俊.新型干法水泥窯焚燒生活垃圾的技術研究［D］.西安：西安建筑科技大學，2006.

［2］Juan A，Galvez A，Mateos F，et al.Organic and inorganic pollutants from cement kiln stack feeding alternative fuels［J］.J Hazard Mater，2008，116（1）：1-8.

［3］蔡玉良，楊學權(quán)，辛美靜，等．利用新型干法水泥窯系統(tǒng)處置城市垃圾［J］．中國水泥，2006（3）：30-34.

［4］張俊麗，劉建國，李橙，等．水泥窯協(xié)同處置與水泥固化/穩(wěn)定化對重金屬的固定效果比較［J］．環(huán)境科學，2008，29（4）：1138-1142.

［5］李波，蔡玉良，楊學權(quán)，等.水泥窯處置城市生活垃圾后續(xù)產(chǎn)品中重金屬的浸出遷移性研究［J］．中國水泥，2010（3）：45-48.

Technology Research on Co-processing Municipal Solid Waste in the NSP Cement Kiln

Liu Xuelu，Wang Chaoxiong
（Nanjing Kesen Kenen Environment&Energy Co.Ltd.，NanjingJiangsu210036）

We introduced the technology of municipal solid waste co-processing in the NSP cement kiln，and analyzed its impacts on cement production.The results showed that the impacts on cement production risk were controllable.Environmental and social benefitswere obvious，and it also had a good application prospect.

cement kiln；municipal solid waste；co-processing

X799.3；X705

A

1005-8206（2016）05-0029-03

2015-11-23

劉學爐（1983—），工學碩士、工程師，主要從事固廢資源綜合利用及項目技術研發(fā)。

E-mail：15195993248@163.com。